DE60031050T2 - Segmentation of the border of the prostate in two- and three-dimensional ultrasound images - Google Patents

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Abstract

A fast semi-automatic prostate contouring method and apparatus using model-based initialization and an efficient Discrete Dynamic Contour (DDC) for boundary refinement. The user initiates the process of the preferred embodiment by identifying four (4) points on the prostate boundary, thereby scaling and shaping a prostate model, and then the final prostate contour is refined with a DDC. The method of the present invention has particular application during the pre-implant planning phase of a brachytherapy procedure. However, this method also has uses in any phase of dose planning in the brachytherapy procedure or any other therapy approach. <IMAGE>

Description

Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf medizinische Abbildungssysteme, und genauer gesagt auf ein Verfahren und Gerät zur Prostata- und Randsegmentation in zwei- und dreidimensionalen Ultraschallbildern.These This invention relates generally to medical imaging systems, and more particularly to a method and apparatus for prostate and marginal segmentation in two- and three-dimensional ultrasound images.

Prostatakrebs ist der am häufigsten diagnostizierte bösartige Tumor bei Männern im Alter von über 50 Jahren und wird bei Autopsien bei 30% der Männer im Alter von 50 Jahren, bei 40% im Alter von 60 Jahren, und bei fast 90% im Alter von 90 Jahren gefunden. Weltweit ist er die zweite Todesursache auf Grund von Krebs bei Männern und macht zwischen 2,1% und 15,2% von allen Krebstoten aus. Jedes Jahr werden in Kanada durch diese Krankheit ungefähr 20.000 neue Prostatakrebsfälle diagnostiziert und es sterben ungefähr 4.000 Männer.Prostate Cancer is the most common diagnosed malignant Tumor in men over the age of 50 years and is autopsied at 30% of men over the age of 50, at 40% at the age of 60, and at nearly 90% at the age of 90 Found years ago. He is the second cause of death worldwide of cancer in men and accounts for between 2.1% and 15.2% of all cancer deaths. each Year in Canada by this disease will be about 20,000 new prostate cancer cases diagnosed and it dies about 4,000 men.

Im Allgemeinen treten Symptome auf Grund von Prostatakarzinomen nicht in Erscheinung, bis ein ausgedehntes lokales Wachstum erfolgt ist oder bis sich Metastasen entwickeln, was als Grund dafür angeführt wird, dass nur 65% der Patienten mit lokal begrenzter Krankheit diagnostiziert werden. Sobald sich der Tumor über die Prostata ausgebreitet hat, steigt das Risiko von Metastasen drastisch. Tumore, die kleiner als 1 bis 1,5 cm3 sind, durchbrechen selten die Prostatakapsel. Wenn sie zu diesem frühen Stadium diagnostiziert wird, ist die Krankheit heilbar, und sogar in späteren Stadien kann Behandlung effektiv sein. Dennoch variieren die Behandlungsmöglichkeiten abhängig vom Ausmaß des Krebses, und die Prognose verschlechtert sich, wenn die Diagnose in einem fortgeschrittenen Stadium gestellt wird.In general, symptoms due to prostate cancer do not appear until there is extensive local growth or until metastases develop, which is explained as the reason that only 65% of patients with locally limited disease are diagnosed. Once the tumor has spread across the prostate, the risk of metastasis increases dramatically. Tumors smaller than 1 to 1.5 cm 3 rarely break the prostatic capsule. If diagnosed at this early stage, the disease is curable, and even at later stages treatment can be effective. However, the treatment options vary depending on the extent of the cancer, and the prognosis worsens when the diagnosis is made at an advanced stage.

Die Herausforderungen, denen sich Ärzte gegenübersehen, die Patienten mit möglichem Prostatakrebs behandeln, sind: (a) klinisch relevanten Krebserkrankungen in einem Stadium zu diagnostizieren, wenn sie heilbar sind, (b) die Krankheit präzise einzustufen und einzuteilen, (c) die geeignete Therapie exakt anzuwenden, um die Zerstörung der Krebszellen zu optimieren, während die benachbarten normalen Gewebe erhalten werden, (d) die Patienten zu beobachten, um Nebenwirkungen und die Effektivität der Therapie zu beurteilen.The Challenges faced by doctors faced, the patients with possible Treating prostate cancer are: (a) clinically relevant cancers to diagnose at a stage when they are curable, (b) the disease is precise to classify and classify, (c) to apply the appropriate therapy exactly, about the destruction to optimize the cancer cells while the adjacent normal tissues are preserved; (d) the patients to observe for side effects and the effectiveness of the therapy to judge.

Die US-Patente 5,562,095, 5,454,371 und 5,842,473 fokussieren sich auf die Herausforderungen (a) und (b). Diese Patente beschreiben eine 3D-Ultraschallabbildungstechnik zur Diagnose von Prostatakrebs. Erweiterungen dieser Konzepte für Prostata-Kryochirurgie sind in der allgemein gehaltenen Patentanmeldung 60/321,049 beschrieben, deren Inhalte hierin durch Bezugname umfasst sind. In einer anderen Anmeldung ist ein 3D-Ultraschall-geführtes intra-operatives Brachytherapiesystem beschrieben. Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Einstellung der geeigneten Prostatatherapie ist die exakte Segmentation (d. h. das Herausarbeiten) des Rands der Prostata und anderer anatomischer Strukturen (Rektalwand, Harnröhre, Blase). Die Zuordnung der geeigneten Therapie oder Dosis für die Prostata erfordert, dass das Prostatavolumen exakt gemessen wird.The U.S. Patents 5,562,095, 5,454,371 and 5,842,473 focus on the challenges (a) and (b). These patents describe one 3D ultrasound imaging technique for the diagnosis of prostate cancer. Extensions of these concepts for prostate cryosurgery are described in the commonly owned patent application 60 / 321,049, the contents of which are incorporated herein by reference. In another Application is described a 3D ultrasound-guided intra-operative brachytherapy system. An important consideration in stopping appropriate prostate therapy is the exact segmentation (i.e., working out) of the edge of the prostate and other anatomical structures (rectal wall, urethra, bladder). The assignment of the appropriate therapy or dose for the prostate requires that the prostate volume is measured accurately.

Bei Gegebenheiten mit einem hohen Bildkontrast (z. B. in flüssigkeitsgefüllten Bereichen in Ultraschallbildern), ist die Segmentationsaufgabe relativ leicht und es können viele Herangehensweisen verwendet werden. Ultraschallbilder der Prostata sind jedoch sehr schwierig zu segmentieren, weil der Kontrast sehr gering ist und die Abbildung unter Flecken, Schatten und anderen Artefakten leidet. Beim Durchführen von Ultraschallbildsegmentation sind herkömmliche lokale Bildverarbeitungoperatoren wie Kantendetektoren in sich und aus sich heraus aufgrund von Flecken, Schatten und anderen Bildartefakten zum Auffinden des Rands unzulänglich.at Conditions with a high image contrast (eg in liquid-filled areas in ultrasound images), the segmentation task is relatively easy and it can many approaches are used. Ultrasound pictures of the However, prostate are very difficult to segment because of the contrast is very low and the picture under spots, shadows and others Artifacts suffers. When performing of ultrasound image segmentation are conventional local image processing operators like edge detectors in and of themselves due to spots, Shadow and other image artifacts to find the edge inadequate.

Die Schwankung bei Messungen des Prostatavolumens, die eine herkömmliche 2D-Technik verwenden, ist hoch, weil die aktuellen Ultraschallvolumenmesstechniken von einer idealisierten elliptischen Form ausgehen und nur einfache Messungen der Breite in zwei Ansichten verwenden (siehe Tong S, Cardinal HN, McLoughlin RF, Downey DB, Fenster A, "Intra- and inter-observer variability and reliability of prostate volume measurement via 2D and 3D ultrasound imaging", Ultrasound in Med & Biol 1998; 24: 673–681, und Elliot TL, Downey DB, Tong S, Mclean CA, Fenster A, "Accuracy of prostate volume measurements in vitro using three-dimensional ultrasound", Acad Radiol 1996; 3: 401–406).The Variation in measurements of prostate volume, which is a conventional Using 2D technique is high because of the current ultrasonic volume measurement techniques emanating from an idealized elliptical shape and just simple Use width measurements in two views (see Tong S, Cardinal HN, McLoughlin RF, Downey DB, Window A, "Intra- and inter-observer variability and reliability of prostate volume measurement via 2D and 3D ultrasound imaging ", Ultrasound in Med & Biol 1998; 24: 673-681, and Elliot TL, Downey DB, Tong S, Mclean CA, Window A, "Accuracy of prostate volume measurements in vitro using three-dimensional ultrasound ", Acad Radiol 1996; 3: 401-406).

Manuelles Konturieren von sequenziellen 2D-Querschnitts-CT- oder TRUS-(transrektaler Ultraschall) Prostatabildern hat diese Schwankung verringert, aber diese Herangehensweise ist zeitintensiv und beschwerlich, was sie während einer intra-operativen Behandlung unpraktikabel macht.Manually Contour sequential 2D cross-sectional CT or TRUS (transrectal ultrasound) prostate images has reduced this fluctuation, but this approach is Time-consuming and cumbersome, what to do during an intra-operative treatment makes impracticable.

Bereichsbezogene neuronale Netze-Anwendungen erfordern umfangreiche Lern-Sets, sind langsam, und machen den Nachtrag von Bedienerspezifizierten Randinformationen schwierig. Konturbezogene Verfahren wie Snakes-Implementierung von aktiven Konturen sind langsam, komplex, und empfindlich in Bezug auf die Anfangswahl der Kontur.Domain Neural Network applications require extensive learning sets, are slow, and make the addition of operator-specified edge information difficult. Contour-related procedure Such as snakes' implementation of active contours are slow, complex, and sensitive to the initial choice of the contour.

US-Patent Nr. 5,559,901 von Lobregt offenbart ein Verfahren zur Bestimmung einer Formkontur, worin Eckpunkte entlang der Kontur der Form mit geraden Streckenabschnitten überbrückt werden, um eine geschätzte Anfangskontur bereitzustellen. Um die Kontur zu glätten, wird eine interne Kraft oder Energie an jedem dieser Eckpunkten der geschätzten Anfangskontur definiert, wobei die Kraft oder Energie von dem Winkel zwischen den Kanten entlang einer Sequenz von benachbarten Eckpunkten abhängt.US Patent No. 5,559,901 to Lobreg discloses a method of determination a shape contour, wherein vertices along the contour of the shape with be bridged straight sections, an estimated To provide initial contour. To smooth the contour is an internal force or energy at each of these vertices of the estimated initial contour Defines the force or energy of the angle between depends on the edges along a sequence of adjacent vertices.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren der Objekt-Segmentation gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit gestellt. Einige optionale Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.According to the present The invention provides a method of object segmentation according to the independent claims posed. Some optional features are set forth in the dependent claims.

Gemäß einer Ausführungsform wird ein schnelles halb-automatisches Prostata konturierendes Verfahren bereit gestellt, das eine modellbasierte Initialisierung und eine effektive Diskrete Dynamische Kontur (DDC) zur Randverfeinerung verwendet. Der Bediener leitet den Prozess der bevorzugten Ausführungsform durch Identifizierung von vier (4) Punkten auf dem Rand der Prostata ein, wodurch er ein Prostatamodell skaliert und formt, und dann wird die abschließende Prostatakontur mit einer DDC verfeinert.According to one embodiment becomes a fast semi-automatic prostate contouring procedure provided a model-based initialization and a effective Discrete Dynamic Contour (DDC) for edge refinement used. The operator initiates the process of the preferred embodiment Identification of four (4) points on the edge of the prostate, which scales and shapes a prostate model, and then becomes the final one Prostate contour refined with a DDC.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann eine 2D-Segmentationstechnik umfassen oder sich alternativ bis zur Segmentation von Objekten in 3D ausdehnen.The Method of the present invention may be a 2D segmentation technique include or alternatively until the segmentation of objects expand in 3D.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung hat eine spezielle Anwendung, die der Vor-Implantations-Planungsphase einer Brachytherapie-Anwendung dient. Dieses Verfahren findet ebenfalls Verwendung in jeder Phase der Dosierungsplanung in der Brachytherapie-Anwendung oder jeder anderen Therapie-Anwendung.The Method of the present invention has a specific application the pre-implantation planning phase of a brachytherapy application serves. This method is also used in every phase the dosing schedule in the brachytherapy application or any other therapy application.

Die vorliegende Erfindung kann auf verschiedene Weisen in die Praxis umgesetzt werden. Als Beispiel werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:The The present invention can be practiced in various ways be implemented. As an example, various embodiments of the present invention with reference to the drawings described, wherein:

1 eine Segmentationstechnik nach Stand der Technik zeigt, die DDC verwendet, worin 1(a) eine von dem Bediener gezeichnete Anfangs-DDC zeigt, 1(b) ein frühes Stadium der Umformung zeigt, 1(c) ein späteres Stadium der Umformung zeigt, und 1(d) die abschießend umgeformte DDC zeigt. 1 A prior art segmentation technique using DDC in which 1 (a) an initial DDC drawn by the operator shows 1 (b) shows an early stage of deformation, 1 (c) shows a later stage of reshaping, and 1 (d) the final deformed DDC shows.

2 ein Beispiel der Konfiguration von DDC nach Stand der Technik zeigt. 2 shows an example of the prior art configuration of DDC.

3 Kräfte als Vektorgrößen für die Konfiguration von 2 zeigt, die sowohl Richtung als auch Größe haben. 3 Forces as vector sizes for the configuration of 2 shows that have both direction and size.

4 Scheinenergiefeld und Scheinkraftfeld für eine vertikale Kante eines Ultraschallbildes zeigt, wobei 4(a) die Kante als eine Stufenkante modelliert zeigt (d. h. eine Kante, worin es einen drastischen Übergang der Graustufen gibt), 4(b) das Energiefeld, das mit der Kante verknüpft ist, zeigt, und 4(c) das Scheinkraftfeld zeigt. 4 Shine energy field and apparent force field for a vertical edge of an ultrasound image, wherein 4 (a) showing the edge modeled as a step edge (ie, an edge where there is a drastic transition of grayscale), 4 (b) the energy field associated with the edge shows, and 4 (c) the apparent field shows.

5 ist eine Darstellung eines Krümmungsvektors, c →i, als ein Maß des Winkels zwischen Kanten für (a) eine große Krümmung, und (b) eine kleine Krümmung. 5 is an illustration of a curvature vector, c → i , as a measure of the angle between edges for (a) a large curvature, and (b) a small curvature.

6 ein Flussdiagramm ist, das Implementierung des DDC Umformungsprozesses zeigt, wie in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet. 6 Fig. 10 is a flowchart showing implementation of the DDC conversion process as used in the method of the present invention.

7 ein Flussdiagramm für den 2D-Segmentationsalgorithmus gemäß der vorliegenden Erfindung ist. 7 Fig. 10 is a flowchart for the 2D segmentation algorithm according to the present invention.

8 die Lage von vier durch den Bediener ausgewählten, mit (1) bis (4) bezeichneten Punkten auf einem Prostatarand gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, zeigt. 8th shows the location of four points selected by the operator designated (1) to (4) on a prostate atlas according to the method of the present invention.

9 ein erstes Beispiel des Ablaufs des Algorithmus zur Prostata-Segmentation der vorliegenden Erfindung zeigt, worin 9(a) einen Anfangsumriss mit vier durch den Bediener ausgewählten Punkten zeigt, und 9(b) den abschließend segmentierten nach Umformung mit DDC erhaltenen Umriss zeigt. 9 A first example of the operation of the prostate segmentation algorithm of the present invention is shown in FIG 9 (a) shows an initial outline with four points selected by the operator, and 9 (b) shows the final segmented contour obtained after forming with DDC.

10 die Schritte der Segmentation und Bearbeitung in einem zweiten Beispiel des Ablaufs der vorliegenden Erfindung zeigt, in welchem Abschnitte der DDC dem Prostatarand nicht sehr gut folgen, worin 10(a) einen Anfangsumriss mit vier vom Bediener ausgewählten Punkten zeigt, 10(b) die DDC nach einer ersten Umformung zeigt, 10(c) drei Eckpunkte (dargestellt als Quadrate) zeigt, die bearbeitet und festgelegt sind, gefolgt von weiterer Umformung der DDC, und 10(d) den Umriss nach zweiter Umformung zeigt. 10 the steps of segmentation and processing in a second example of the operation of the present invention shows in which portions of the DDC are not very well following the prostatic border, where 10 (a) shows an initial outline with four points selected by the operator, 10 (b) showing the DDC after a first transformation, 10 (c) shows three vertices (shown as squares) that are machined and fixed, followed by further reshaping of the DDC, and 10 (d) shows the outline after second transformation.

11 die Segmentation eines "schwierigen" Falls gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei 11(a) den Anfangsumriss mit vier vom Bediener ausgewählten Punkten zeigt, 11(b) die DDC nach erster Umformung zeigt, 11(c) fünf Eckpunkte (gezeigt als Quadrate) zeigt, die bearbeitet und festgelegt sind, und von einer weiteren Umformung der DDC gefolgt sind, und 11(d) den Umriss nach zweiter Umformung zeigt. 11 the segmentation of a "difficult" case according to the present invention, wherein 11 (a) shows the initial outline with four points selected by the operator, 11 (b) the DDC after the first transformation shows 11 (c) shows five vertices (shown as squares) that are machined and fixed, followed by further reshaping of the DDC, and 11 (d) shows the outline after second transformation.

12 ein schematisches Diagramm zeigt, das darstellt, wie das Verfahren, Sequenzen von 2D-Bildern aus dem 3D-Volumen auszuwählen, für die Segmentation verwendet wird. 12 Figure 12 is a schematic diagram illustrating how the method of selecting sequences of 2D images from the 3D volume is used for the segmentation.

13 zeigt eine Sequenz von 2D-Bildern der segmentierten Prostata, wobei das halbautomatische Segmentationsverfahren ausgedehnt auf 3D verwendet wird. Die Bilder liegen parallel zueinander, im Abstand von einem Millimeter. Bild Nr. 15 wurde verwendet um den Prozess durch die halbautomatische 2D-Segmentationstechnik zu initiieren. Auf die Segmentation dieses 2D-Bilds folgend wurde der abschließende Rand verwendet, um die Segmentation des nächsten Bildes zu initiieren. Dieser Prozess wurde wiederholt bis die komplette Prostata segmentiert war. 13 shows a sequence of 2D images of the segmented prostate, using the semi-automatic segmentation method extended to 3D. The pictures are parallel to each other, at a distance of one millimeter. Image # 15 was used to initiate the process through the semi-automatic 2D segmentation technique. Following the segmentation of this 2D image, the trailing edge was used to initiate the segmentation of the next image. This process was repeated until the entire prostate was segmented.

Wie oben erörtert, ist DDC eine Polyline (d. h. eine Folge von Punkten, die durch gerade Streckenabschnitte verbunden sind), die verwendet wird um eine Kontur umzuformen, um Merkmale in einem Bild anzupassen. Wenn die DDC verwendet wird, um ein Objekt aus einem Bild zu segmentieren wie ursprünglich von Lobregt und Viergever in "Discrete dynamic contour model", IEEE Trans. Med. Imag. 1995; 14: 12–24 beschrieben, muss der Bediener zuerst einen näherungsweisen Umriss des Objekts zeichnen. Ein Beispielumriss ist in 1(a) für ein typisches 2D US (Ultraschall) Bild der Prostata gezeigt. Die DDC wird zu diesem Umriss initialisiert und automatisch umgeformt, um die interessierenden Merkmale anzupassen, die in diesem Fall aus den Kanten bestehen, die den Rand der Prostata definieren. 1(b) und 1(c) zeigen zwei Stufen der Umformung der DDC. Zu bemerken ist, dass Punkte automatisch der DDC während des Umformens hinzugefügt oder gelöscht werden, um eine bessere Anpassung an den Rand zu erlauben. 1(d) zeigt die abschließend umgeformte DDC. In diesem Beispiel entspricht die abschließende Form gut dem Prostatarand, außer in einigen Bereichen, wo Artefakte und Rauschen in dem Bild dazu führen, dass sich Teile der DDC zu diesen hin und weg von dem Prostatarand Umformen.As discussed above, DDC is a polyline (ie, a series of points connected by straight sections) that is used to transform a contour to fit features in an image. When the DDC is used to segment an object from an image as originally described by Lobregt and Viergever in "Discrete Dynamic Contour Model", IEEE Trans. Med. Imag. 1995; 14: 12-24, the operator must first draw an approximate outline of the object. An example outline is in 1 (a) shown for a typical 2D US (ultrasound) image of the prostate gland. The DDC is initialized to this outline and automatically reshaped to match the features of interest, in this case consisting of the edges defining the border of the prostate. 1 (b) and 1 (c) show two stages of forming the DDC. It should be noted that dots are automatically added or deleted to the DDC during reshaping to allow better fitting to the edge. 1 (d) shows the final reshaped DDC. In this example, the final shape is good for the prostatic border, except in some areas where artifacts and noise in the image cause parts of the DDC to reform toward and away from the prostatic border.

Die Konfiguration der DDC ist in 2 gezeigt. Wie dargestellt, weist der Einheitskantenvektor d ^i von Eckpunkt i zu Eckpunkt i + 1. Ein lokal tangentialer Einheitsvektor, t ^i, ist

Figure 00060001
definiert am Eckpunkt i durch zwei Kantenvektoren, die mit dem Eckpunkt verbunden sind: wobei ||·|| den Betrag eines Vektors anzeigt. Ein lokal radialer Einheitsvektor r ^i kann aus t ^i berechnet werden, indem er um B/2 Radianten gedreht wird: r ^i und t ^i definieren ein lokales Koordinatensystem, das im Eckpunkt i angeordnet ist.The configuration of the DDC is in 2 shown. As shown, the unit edge vector d ^ i points from vertex i to vertex i + 1. A locally tangent unit vector, t ^ i , is
Figure 00060001
defined at vertex i by two edge vectors connected to vertex: where || · || indicates the amount of a vector. A local radial unit vector r ^ i can be calculated from t ^ i by rotating it by B / 2 radians: r ^ i and t ^ i define a local coordinate system located at vertex i.

Figure 00070001
Figure 00070001

Der Ablauf der DDC basiert auf einfacher Dynamik. Eine gewichtete Kombination von internen (inti ), Schein-(ff ρimgi ) und Dämpfungs-(f ρdi )Kräften wirkt auf jeden Eckpunkt i der DDC, was in einer gesamten Kraft f ρtoti resultiert: f ρtoti = winti f ρinti + wimgi f ρimgi + f ρdi (3)wo wimgi und winti relative Gewichtungen für die Schein- bzw. internen Kräfte sind. Es ist anzumerken, dass diese Kräfte Vektorgrößen sind, die sowohl Betrag als auch Richtung haben wie in 3 gezeigt. Für die Prostata bewirken die Scheinkräfte, dass die Eckpunkte gegen die Kanten treiben. Diese Kräfte können für jeden Pixel des Bildes definiert werden als: E(x, y) = ||∇ ρ(GΦ·I(xp, yp))|| (4a)

Figure 00070002
wobei E die "Energie" darstellt, die zu einem Pixel gehört, das die Koordinaten (xp, yp) hat, GΦ ein Gauss'scher Glättungskern ist mit einer charakteristischen Breite von Φ, und I das Bild ist. Der · Operator stellt die Faltung dar, und ∇ ρ ist der Gradient-Operator. Die Energie hat ein lokales Maximum an einer Kante, und die Kräfte, die aus der Energie berechnet werden, dienen dazu, diese Kante zu lokalisieren.The DDC process is based on simple dynamics. A weighted combination of internal ( int i ), ff ρ img i ) and damping ( f ρ d i ) Forces acts on every vertex i of the DDC, resulting in a total force f ρ dead i results: f ρ dead i = w int i f ρ int i + w img i f ρ img i + f ρ d i (3) Where w img i and w int i relative weights for the apparent and internal forces are. It should be noted that these forces are vector quantities that have both magnitude and direction as in 3 shown. For the prostate, the apparent forces cause the vertices to float against the edges. These powers can be for every pixel of the image are defined as: E (x, y) = || ∇ ρ (G Φ · I (x p , y p )) || (4a)
Figure 00070002
where E represents the "energy" associated with a pixel having the coordinates (x p , y p ), G Φ is a Gaussian smoothing kernel with a characteristic width of Φ, and I is the image. The operator represents the convolution and ∇ ρ is the gradient operator. The energy has a local maximum at one edge, and the forces that are calculated from the energy serve to locate that edge.

Der Faktor von zwei in Gleichung (4b) ordnet dem Betrag der Scheinkraft einen Bereich von Null bis zwei zu, der der gleiche ist, wie der für die interne Kraft, die unten definiert wird. Ein Beispielenergiefeld und sein dazu gehöriges Kraftfeld für ein simuliertes Bild einer Kante sind in 4 gezeigt. Es ist zu bemerken, dass Scheinkräfte Auswirkung über eine begrenzte räumliche Ausdehnung um eine Kante haben, wie durch die Konzentration von Energie um die Kante in (4b) gezeigt. Das Ausmaß von diesem "Erfassungsbereich" ist durch σ in Gleichung (4a) bestimmt, und wird größer wenn σ größer wird. Obwohl ein großer Erfassungsbereich wünschenswert ist, um Mängel an der Anfangskontur der DDC durch den Bediener auszugleichen (z. B. können einige Eckpunkte auf der Anfangs-DDC außerhalb des Erfassungsbereichs liegen), kann ein großer Wert von σ eine schlechte Lokalisierung der gewünschten Kante ergeben. Ein großes σ bietet auch den Vorteil von erhöhter Rauschunterdrückung. Gemäß einer erfolgreichen Implementierung der vorliegenden Erfindung wurde für Prostataabbildungen ein Wert von σ = 5 Pixel als ein Kompromiss ausgewählt.The factor of two in equation (4b) assigns to the magnitude of the apparent force a range of zero to two that is the same as that for the internal force defined below. An example energy field and its associated force field for a simulated image of an edge are in 4 shown. It should be noted that apparent forces have an effect over a limited spatial extent around an edge, such as the concentration of energy around the edge in (4b) shown. The extent of this "detection area" is determined by σ in equation (4a), and becomes larger as σ becomes larger. Although a large detection range is desirable to compensate for operator deficiencies in the initial contour of the DDC (eg, some vertices on the initial DDC may be out of the detection range), a large value of σ may result in poor location of the desired edge , A large σ also offers the advantage of increased noise reduction. According to a successful implementation of the present invention, for prostate images, a value of σ = 5 pixels has been chosen as a compromise.

Um die Scheinkraft auszuwerten, die auf den Eckpunkt i der DDC wirkt, wird das Kraftfeld, das durch Gleichung (4b) ausgedrückt wird, an den Eckpunktkoordinaten (xi, yi) unter Verwendung von bilinearer Interpolation abgetastet. Ferner wirkt nur die radiale Komponente des Felds auf den Eckpunkt, da die tangentiale Komponente potentiell dazu führen kann, dass sich die Eckpunkte zusammenbündeln, während die DDC umformt, so dass die resultierende Scheinkraft auf Eckpunkt i ist: ff ρimgi = (f ρimg(xi, + yi)·r ^i)r ^i (5)wobei · ein Skalarprodukt von Vektoren bezeichnet.To evaluate the apparent force acting on the vertex i of the DDC, the force field expressed by Equation (4b) is sampled at the vertex coordinates (x i , y i ) using bilinear interpolation. Furthermore, only the radial component of the field acts on the vertex, since the tangential component can potentially cause the vertices to bunch together as the DDC transforms so that the resulting apparent force is at vertex i: ff ρ img i = (f ρ img (x i , + y i ) · R ^ i ) r ^ i (5) where · denotes a scalar product of vectors.

Die innere Kraft bewirkt, dass die lokale Krümmung an jedem Eckpunkt minimiert wird, wobei sie die DDC bei Vorliegen von Bildrauschen glatt hält. Sie ist definiert als:

Figure 00090001
wobei c ρi = d ^i – d ^i-1 (7)der Krümmungsvektor am Eckpunkt i ist. Der Krümmungsvektor ist ein Maß des Winkels zwischen zwei Kanten wie in 5 gezeigt. Obwohl unter der einfachen Annahme, dass f ρinti zu c ρi proportional ist, das Ziel der Minimierung der lokalen Krümmung erreicht werden könnte, hat die Definition in Gleichung (6) den Vorteil, zu verhindern, dass die DDC zu einem Punkt bei Abwesenheit von Scheinkräften zusammenfällt.The internal force causes the local curvature at each vertex to be minimized, keeping the DDC smooth in the presence of image noise. It is defined as:
Figure 00090001
in which c ρ i = d ^ i - d ^ i-1 (7) the curvature vector at vertex i is. The curvature vector is a measure of the angle between two edges as in 5 shown. Although under the simple assumption that f ρ int i to c ρ i is proportional, the goal of minimizing the local curvature could be achieved, the definition in equation (6) has the advantage of preventing the DDC from collapsing to a point in the absence of apparent forces.

Die Dämpfungskraft am Eckpunkt i wird als proportional zu der Geschwindigkeit (v ρi) an diesem Eckpunkt angenommen: f ρdi = wdi v ρi (8)wobei wdi ein negativer Gewichtungsfaktor ist. Die Dämpfungskraft hält die DDC stabil (d. h., verhindert Oszillationen) während des Umformens.The damping force at vertex i is assumed to be proportional to the velocity (v ρ i ) at this vertex: f ρ d i = w d i v ρ i (8th) in which w d i is a negative weighting factor. The damping force keeps the DDC stable (ie, prevents oscillations) during forming.

Zur Vereinfachung wurden einheitliche Gewichtungen für die Schein-, internen und Dämpfungskräfte für das Ergebnis ausgewählt, das in 1 gezeigt ist, und für alle nachfolgenden Segmentationen. Für jeden Eckpunkt wurden die Gewichtungen von wimgi = 1,0, winti = 3,0 und wdi = –0,5 angenommen. Obwohl diese Werte experimentell ausgewählt wurden, begünstigt die größere Gewichtung für die Scheinkraft Umformung der Kontur zu den Kanten eher als Glättung aufgrund interner Kräfte. Wäre in den Bildern viel mehr Rauschen gewesen, wäre den internen Kräften ein größeres Gewicht gegeben worden. Die Auswahl der Gewichtung für die Dämmpfungskraft scheint weniger kritisch zu sein, und es wurde ein kleiner negativer Wert wurde ermittelt, der für gute Stabilität sorgt.To simplify matters, uniform weights have been used for the apparent, internal and damping forces selected for the result that is in 1 is shown, and for all subsequent segmentations. For each vertex, the weights of w img i = 1.0 . w int i = 3.0 and w d i = -0.5 accepted. Although these values were selected experimentally, the greater weighting for the apparent force promotes deformation of the contour to the edges rather than smoothing due to internal forces. If there had been much more noise in the pictures, the internal forces would have been given more weight. The selection of the weighting for the damping force seems to be less critical, and a small negative value has been determined, which provides good stability.

Umformung der DDC wird durch die obigen Kräfte gesteuert und ist als eine einfache numerische Integration implementiert, dargestellt in 6. Die Position des Eckpunkts i auf der DDC zur Zeit t + Δt wird berechnet aus seiner Position zur Zeit t unter Verwendung der folgenden Gleichungen der finiten Differenzenmethode: pp ρi(t + Δt) = p ρi(t) + vv ρi(t)Δt (9a) v ρi(t + Δt) = v ρi(t) + a ρi(t)Δt (9b)

Figure 00100001
wo p ρi die Position des Eckpunktes ist, a ρi seine Beschleunigung ist, mi seine Masse ist und Δt der Zeitschritt für numerische Integration ist. Zur Vereinfachung wird die Masse eines jeden Eckpunkts als Eins angenommen. Die Anfangsposition eines jeden Eckpunkts (d. h. die Position bei t = 0) ist spezifiziert durch die Bedienergezeichnete Kontur, und die Anfangsgeschwindigkeit und Beschleunigung sind auf Null gesetzt. Die Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung von jedem Eckpunkt werden dann unter Verwendung der obigen Gleichungen iterativ aktualisiert. Nach jeder Iteration wird die DDC "resampled", um ihr Eckpunkte hinzuzufügen oder aus ihr zu entfernen, wie unten detaillierter beschrieben wird. Die Iterationen werden fortgesetzt, bis alle Eckpunkte zur Ruhe kommen, was geschieht, wenn die Geschwindigkeit und die Beschleunigung von jedem Eckpunkt näherungsweise 0 werden (d. h. wenn ||v ρi|| ≤ ε1 und ||a ρi|| ≤ ε2, wobei ε1 und ε2 zwei kleine positive Konstanten nahe Null sind). Ein Zeitschritt von Eins wird für die Integration verwendet.Forming the DDC is controlled by the above forces and is implemented as a simple numerical integration, presented in 6 , The position of the vertex i on the DDC at time t + Δt is calculated from its position at time t using the following equations of the finite difference method: pp ρ i (t + Δt) = p ρ i (t) + vv ρ i (t) Δt (9a) v ρ i (t + Δt) = v ρ i (t) + a ρ i (t) Δt (9b)
Figure 00100001
where p ρ i is the position of the vertex, a ρ i is its acceleration, m i is its mass, and Δt is the time step for numerical integration. For simplicity, the mass of each vertex is assumed to be one. The initial position of each vertex (ie the position at t = 0) is specified by the operator drawn contour, and the initial velocity and acceleration are set to zero. The position, velocity and acceleration of each vertex are then iteratively updated using the equations above. After each iteration, the DDC is "resampled" to add or remove vertices, as described in more detail below. The iterations continue until all vertices come to rest, which happens when the velocity and acceleration of each vertex becomes approximately 0 (ie, when || v ρ i || ≤ ε 1 and || a ρ i || ≤ ε 2 , where ε 1 and ε 2 are two small positive constants near zero). A time step of one is used for the integration.

Wie oben diskutiert, ist der Rand der Prostata zeitweilig schwierig zu definieren, weil 2D US-Bilder der Prostata unter Flecken, Schatten und Brechung leiden. Zusätzlich ist der Kontrast zwischen der Prostata und der umgebenden Strukturen gering und hängt ab vom Transducer des Systems und der Ultraschallfrequenz. Diese Effekte verknüpfen sich und machen die Wahl des Anfangsrands schwierig, da sie der DDC gestatten, zu dem korrekten Rand zu konvergieren. Die Eckpunkte auf der DDC müssen nahe genug bei dem gewünschten Rand initialisiert werden, um zu ihm, und nicht zu nahe gelegenen unbedeutenden Kanten gezogen zu werden. Exakte Initialisierung kann beträchtlichen Bedieneraufwand erfordern, da der Bediener gefordert sein kann, viele Punkte einzugeben, wie in 1(a) gezeigt. Um dieses Problem zu bewältigen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung Information zu der prostataspezifischen Form in die Initialisierungsphase eingearbeitet. Mit dieser Herangehensweise ist es möglich, eine gute Abschätzung des Prostatarands mit sehr weniger Bedienereingabe zu erhalten. Es ist trotz guter Initialisierung sogar möglich, dass die DDC zu starken Nichtprostatakanten konvergiert, die in der Nähe liegen. Die Einarbeitung von Informationen über die Gradientenrichtung in das Scheinkraftfeld kann die Anziehung solcher Merkmale reduzieren.As discussed above, the border of the prostate is at times difficult to define because 2D US images of the prostate suffer from spots, shadows, and refractions. In addition, the contrast between the prostate and the surrounding structures is small and depends on the transducer of the system and the ultrasound frequency. These effects combine and make the selection of the leading edge difficult as they allow the DDC to converge to the correct edge. The vertices on the DDC must be initialized close enough to the desired edge to be drawn to it, rather than to nearby insignificant edges. Exact initialization can require considerable operator effort, as the operator may be required to enter many points, as in 1 (a) shown. To overcome this problem, according to the present invention, information on the prostate-specific form is incorporated in the initialization phase. With this approach, it is possible to get a good estimate of the prostate bone with very little operator input. It is even possible, despite good initialization, for the DDC to converge to strong non-prostate edges that are nearby. The incorporation of gradient direction information into the apparent force field can reduce the attraction of such features.

Der Algorithmus der vorliegenden Erfindung besteht aus drei Hauptphasen: Initialisierung, Umformung und Bearbeitung. Jeder Prozess ist unten detailliert beschrieben. Das Zusammenwirken dieser Prozesse ist in 7 gezeigt. Nachdem der Bediener ein Bild ausgewählt hat und das Fenster und die Stufe angepasst hat, muss er die DDC initialisieren, indem er vier Punkte auf dem Rand auswählt. Der Bediener kann wählen, die vier Punkte fest zu legen, d. h. sie unbeweglich zu machen. Die Anfangs-DDC wird dann umgeformt. Wenn die DDC den Prostatarand exakt wiedergibt, nachdem sie umgeformt wurde, kann sie bearbeitet werden, indem dem Bediener erlaubt wird, Eckpunkte interaktiv zu bewegen und sie fest zu legen. Die bearbeitete DDC kann weiter umgeformt werden, wenn nötig.The algorithm of the present invention consists of three main phases: initialization, transformation and processing. Each process is described in detail below. The interaction of these processes is in 7 shown. After the operator has selected an image and adjusted the window and level, he must initialize the DDC by selecting four points on the edge. The operator can choose to set the four points, that is to make them immobile. The initial DDC is then reformed. If the DDC accurately replicates the prostatic border after it has been reshaped, it can be manipulated by allowing the operator to interactively move and fix vertices. The machined DDC can be further reshaped if necessary.

Wie oben erwähnt, erfordert die DDC-Initialisierungsroutine der vorliegenden Erfindung, dass der Bediener nur vier Punkte auswählt, benannt von (1) bis (4) in 8. Die Punkte (1) und (3) liegen auf einer angenäherten Symmetrieachse. Ein lokales x-y-Koordinatensystem kann definiert werden, indem die y-Achse von Punkt (1) zu Punkt (3) orientiert wird. Die x-Achse wird dann senkrecht zu der y-Achse genommen, und wird so orientiert, dass das Kreuzprodukt des Einheitsvektors entlang der x-Achse und der y-Achse (d. h., x ^ × ŷ) aus dem Bildschirm heraus zeigt. Der Ursprung des Koordinatensystems wird auf die Mitte der Punkte (1) und (3) gesetzt.As mentioned above, the DDC initialization routine of the present invention requires the operator to select only four points named from (1) to (4) in FIG 8th , Points (1) and (3) lie on an approximated axis of symmetry. A local xy coordinate system can be defined by orienting the y-axis from point (1) to point (3). The x-axis is then taken perpendicular to the y-axis and is oriented so that the cross product of the unit vector points out of the screen along the x-axis and the y-axis (ie, x ^ x ŷ). The origin of the coordinate system is centered on the points (1) and (3) set.

Wenn die Anfangsform der DDC in parametrischer Form dargestellt ist, wie:

Figure 00120001
wobei s ein Parameter ist, der entlang der Kurve variiert, dann werden die Punkte (2) und (4) auf den "Lappen" der Prostata ausgewählt, wo die lokale Tangente zu der Kurve an diesen Punkten parallel zu der y-Achse ist, d. h. Punkte, mit x'(s) = 0. (11) If the initial form of the DDC is represented in parametric form, such as:
Figure 00120001
where s is a parameter that varies along the curve, then points (2) and (4) are selected on the "lobe" of the prostate, where the local tangent to the curve at these points is parallel to the y-axis, ie points, with x '(s) = 0. (11)

Der ' Operator bezeichnet Differentiation nach s.The 'operator designates Differentiation according to s.

Die vier Punkte spalten den Prostatarand in vier eindeutige Segmente: Segment 1 bis 2, das bei Punkt 1 startet und bei Punkt 2 endet, sowie Segmente 2 bis 3, 3 bis 4 und 4 bis 1. Die Anfangsform der Prostata wird durch Hermite'sche Interpolation der Endpunkte abgeschätzt, um automatisch zusätzliche Punkte innerhalb jedes Segments zu erhalten. Es wurde entdeckt, dass kubische Interpolationsfunktionen eine gute Annäherung für einen großen Bereich von Prostataformen bereit stellen, und die folgende Form haben: x(s) = a3s3 + a2s2 + a1s + a0 (12a) y(s) = b3s3 + b2s2 + b1s + b0 (12b)wobei s ein Parameter ist, der von 0 am Startpunkt des Segments bis 1 am Endpunkt variiert und wobei ai und bi (i = 0, 1, 2, 3) Koeffizienten sind.The four points split the prostatic border into four distinct segments: segment 1 to 2, which starts at point 1 and ends at point 2, and segments 2 to 3, 3 to 4, and 4 to 1. The initial shape of the prostate is Hermite's Estimated interpolation of the endpoints to automatically obtain additional points within each segment. It has been discovered that cubic interpolation functions provide a good approximation for a wide range of prostate forms and have the following form: x (s) = a 3 s 3 + a 2 s 2 + a 1 s + a 0 (12a) y (s) = b 3 s 3 + b 2 s 2 + b 1 s + b 0 (12b) where s is a parameter that varies from 0 at the start point of the segment to 1 at the end point and where a i and b i (i = 0, 1, 2, 3) are coefficients.

Um zusätzliche Punkte innerhalb eines Segments zu interpolieren, ist es zuerst nötig, die Koeffizienten von Gleichung (12) zu berechnen. Zwei Datenglieder sind an jedem Endpunkt erforderlich: Der Wert der Variablen (entweder x oder y) und die Änderungsrate dieser Variablen in Bezug auf s (x' oder y'). Tabelle 1 fasst die Information zusammen, die für jedes Segment erforderlich ist. In der Tabelle wird angenommen, dass jedes Segment bei s = 0 beginnt und bei s = 1 endet. Einige Punkte sind zu bemerken.Around additional It's first to interpolate points within a segment necessary, to calculate the coefficients of equation (12). Two data members are required at each endpoint: the value of the variable (either x or y) and the rate of change of these variables with respect to s (x 'or y'). Table 1 summarizes the information the for every segment is required. The table assumes each segment starts at s = 0 and ends at s = 1. Some Points are to be noted.

Erstens, die Tangenten an den Punkten (1) und (3) sind näherungsweise parallel zu der x-Achse, d. h. an diesen Punkten haben wir y'(s) = 0. (13) First, the tangents at points (1) and (3) are approximately parallel to the x-axis, ie at these points we have y '(s) = 0. (13)

Hier wird die Änderungsrate von x in Bezug auf s aus den Bedienerausgewählten Punkten abgeschätzt, wie in Tabelle 1 gelistet, die die Daten zeigt, die erforderlich sind, um die Koeffizienten für die Interpolationsfunktionen für jedes Segment zu berechnen (1–2, 2–3, 3–4, und 4–1), wo (x1, y1), (x2, y2), (x3, y3) und (x4, y4) sich auf die Koordinaten der vier vom Bediener ausgewählten Punkte beziehen, gezeigt in 3.Here, the rate of change of x with respect to s is selected from the operator selected points as listed in Table 1, which shows the data required to calculate the coefficients for the interpolation functions for each segment (1-2, 2-3 , 3-4, and 4-1), where (x 1 , y 1 ), (x 2 , y 2 ), (x 3 , y 3 ) and (x 4 , y 4 ) refer to the coordinates of the four from Refer to selected points of the operator shown in 3 ,

Zweitens, an den Punkten (2) und (4), wo Gleichung (11) gilt, muss die Veränderungsrate von y in Bezug auf s auch abgeschätzt werden wie in der Tabelle aufgelistet. Mit diesen Daten können die Koeffizienten dann unter Verwendung der Formeln berechnet werden: a0 = x(0) a2 = 3(x(1) – x(0)) – x'(1) – 2x'(0) a1 = x'(0) a3 = 2(x(0) – x(1)) + x'(0) + x'(1) (14a)und b0 = y(0) b2 = 3(y(1) – y(0)) – y'(1) – 2y'(0) b1 = y'(0) b3 = 2(y(0) – y(1)) + y'(0) + y'(1) (14b) Second, at points (2) and (4) where equation (11) holds, the rate of change of y with respect to s must also be estimated as listed in the table. With these data, the coefficients can then be calculated using the formulas: a 0 = x (0) a 2 = 3 (x (1) - x (0)) - x '(1) - 2x' (0) a 1 = x '(0) a 3 = 2 (x (0) - x (1)) + x '(0) + x' (1) (14a) and b 0 = y (0) b 2 = 3 (y (1) - y (0)) - y '(1) - 2y' (0) b 1 = y '(0) b 3 = 2 (y (0) -y (1)) + y '(0) + y' (1) (14b)

Wenn die Koeffizienten sodann berechnet sind, werden die Punkte einheitlich interpoliert innerhalb jeden Segments bei jedem Δs = 0,1 Einheiten. 9(a) zeigt die Anfangs-DDC, die für das Prostatabild, das in 1 gezeigt wurde, abgeschätzt wurde.When the coefficients are then calculated, the points are uniformly interpolated within each segment at each Δs = 0.1 units. 9 (a) shows the initial DDC used for the prostate image that is in 1 shown was estimated.

Tabelle 1

Figure 00130001
Table 1
Figure 00130001

Figure 00140001
Figure 00140001

Nach der Initialisierung wird die DDC umgeformt, wie oben detailliert beschrieben. Die vier vom Bediener ausgewählten Punkte, die während der Initialisierungsphase ausgewählt wurden, können vor der Umformung festgelegt werden, um sie am verschieben zu hindern, oder sie können ohne Festlegen gelassen werden, wobei ihnen gestattet wird, sich mit dem Rest der DDC zu bewegen.To During initialization, the DDC is reshaped as detailed above described. The four points selected by the operator during the Initialization phase selected were, can be set before reshaping to prevent them from moving or you can without allowing them to be allowed to move with the rest of the DDC.

Obwohl die Initialisierungsroutine der vorliegenden Erfindung im Stande ist, einen breiten Bereich von Prostataformen darzustellen, kann die Anfangsform nahe starker Kanten zu liegen kommen, die andere Gewebe oder Artefakte darstellen. Dies kann die DDC auf sie zu- und weg von dem gewünschten (Prostata) Rand schieben, wenn die Scheinkräfte, die durch Gleichungen (4) und (5) definiert werden, verwendet werden. Die Anziehung von diesen Rändern kann reduziert werden durch Verwendung von richtungsgebender Information, wie beschrieben in Worring M, Smeulders AWM, Staib IH, Duncan, JS, "Parameterized feasible boundaries in gradient vector fields", Computer Vision Image Understanding 1996; 63: 135–144. Für US-Bilder der Prostata stellt diese Information die Tatsache dar, dass das Innere der Prostata dunkler erscheint als das äußere. Derartige Information kann durch Modifizieren der Gleichung (5) auf den Eckpunkt i der DDC appliziert werden:Even though the initialization routine of the present invention is capable is able to represent a wide range of prostate forms the initial form comes to lie near strong edges, the other Represent tissue or artifacts. This is what the DDC can and away from the desired one (Prostate) edge pushing, if the apparent forces by equations (4) and (5) can be used. The attraction of these edges can be reduced by using directional information, such as described in Worring M, Smeulders AWM, Staib IH, Duncan, JS, "Parameterized feasible Boundaries in gradient vector fields ", Computer Vision Image Understanding 1996; 63: 135-144. For US pictures the prostate this information represents the fact that the The inside of the prostate appears darker than the outside. Such information can be modified by modifying equation (5) to the vertex i of FIG DDC can be applied:

Figure 00140002
Figure 00140002

Es ist wichtig, zu bemerken, dass r ^(x, y) ein nach außen zeigender radialer Einheitsvektor ist, wie durch Gleichung 2 definiert. Gemäß Gleichung 15 wird, wenn die Graustufen in den Nähe des Eckpunktes i sich von dunkel zu hell in Richtung des äußeren Radialvektors verändern, eine Kraft auf den Eckpunkt wirkt; ansonsten wird keine Kraft angewendet. 9(b) zeigt die DDC nach Umformung.It is important to note that r ^ (x, y) is an outwardly pointing radial unit vector as defined by Equation 2. According to Equation 15, when the gray levels in the vicinity of the vertex i change from dark to light toward the outer radial vector, a force acts on the vertex; otherwise no force is applied. 9 (b) shows the DDC after forming.

Während der Umformung kann die Entfernung zwischen benachbarten Eckpunkten auf der DDC größer werden, was in einer schlechteren Darstellung des Prostatarands resultiert. Nach jeder Iteration, die durch Gleichung (9) dargestellt wird, wird die DDC resampled, so dass die Entfernung zwischen benachbarten Eckpunkten auf einem einheitlichen Wert von 20 Pixel beibehalten bleibt, von dem gefunden wurde, dass er eine gute Darstellung des Prostatarands bereit stellt. Wenn keine Eckpunkte festgelegt werden, kann resampling sehr einfach durchgeführt werden. Zuerst werden die x und y Koordinaten von jedem Eckpunkt in parametrischer Form dargestellt wie in Gleichung (10). Es wird jedoch die parametrische Variable s ausgewählt, als Länge der Kurve vom ersten Eckpunkt bis zum fraglichen Eckpunkt. Die Kurve wird dann entlang ihrer gesamten Länge bei äquidistanten Werten durch lineare Interpolation der existierenden Eckpunkte der Länge resampled. Dies ergibt einen neuen Satz von Eckpunkten, die zur Darstellung der Kurve verwendet werden, während die alten verworfen werden. Diese Vorgehensweise stellt ein Problem dar, wenn einige Eckpunkte festgelegt sind, weil die festgelegten Eckpunkte nach der Interpolation eliminiert werden können. Um dies zu vermeiden, werden die festgelegten Eckpunkte nach der Interpolation einfach zurück in die DDC eingefügt.During the Forming can affect the distance between adjacent vertices the DDC get bigger, which results in a worse representation of the prostate bone. After each iteration represented by equation (9), the DDC is resampled, leaving the distance between adjacent ones Keep vertices at a uniform value of 20 pixels remains, which was found to be a good representation of the Prostatorands ready. If no corner points are set, resampling can be done very easily. First, the x and y coordinates of each vertex are displayed in parametric form as in equation (10). However, it becomes the parametric variable s selected, as a length the curve from the first vertex to the point in question. The curve then becomes linear along its entire length at equidistant values Interpolation of the existing vertices of the length resampled. This results a new set of vertices used to represent the curve be while the old ones are discarded. This approach poses a problem when some vertices are set because the set ones Corner points can be eliminated after the interpolation. Around To avoid this, the set vertices become after the interpolation just back inserted into the DDC.

In extremen Fällen kann die Initialisierungsroutine nicht alle der Eckpunkte auf die DDC nahe dem tatsächlichen Prostatarand platzieren. 10(a) zeigt ein Beispiel, wobei einige Anteile einer Anfangs-DDC (angedeutet durch die Pfeile) vom Prostatarand entfernt sind. Wie in 10(b) gezeigt, konvergiert dieser Anteil der DDC nicht auf dem gewünschten Rand, da die Scheinkräfte einen begrenzten Erfassungsbereich haben. Es ist möglich, den segmentierten Rand zu korrigieren, indem die DDC bearbeitet und wieder umgeformt wird. Der Bediener kann einen Eckpunkt auf die DDC zu dem gewünschten Rand hinziehen. Der Eckpunkt kann dann "festgelegt werden", so dass er nicht verschoben wird, wenn die DDC wieder umgeformt wird. 10(c) zeigt einen Fall, wo drei Eckpunkte (wie durch die Quadrate dargestellt) näher an den Prostatarand gezogen und festgelegt wurden. Wenn ein Eckpunkt verschoben und festgelegt wird, verschieben sich die benachbarten Eckpunkte im Allgemeinen unter dem Einfluss von internen Kräften zu dem festgelegten Eckpunkt hin, um die lokale Krümmung zu minimieren. Wenn sich diese Eckpunkte in den Erfassungsbereich des Prostatarands verschieben, transportieren die Scheinkräfte die Eckpunkte den Rest des Wegs zum Rand. Die DDC ist, nachdem sie wieder umgeformt wurde, in 10(d) gezeigt.In extreme cases, the initialization routine can not place all of the vertices on the DDC near the actual prostatic border. 10 (a) shows an example where some portions of an initial DDC (indicated by the arrows) are removed from the prostatic border. As in 10 (b) As shown, this portion of the DDC does not converge on the desired edge because the apparent forces have a limited detection range. It is possible to correct the segmented edge by manipulating and reshaping the DDC. The operator may drag a corner point on the DDC to the desired edge. The vertex can then "set" so that it will not move when the DDC is reshaped. 10 (c) shows a case where three corner points (as represented by the squares) are drawn and set closer to the prostatic border. When a vertex is moved and set, the adjacent vertexes generally shift toward the fixed vertex under the influence of internal forces to minimize the local curvature. As these vertices shift into the detection area of the prostate bone, the apparent forces transport the vertices the rest of the way to the edge. The DDC is in after being reshaped 10 (d) shown.

Die Beispiele in 9 und 10 stellen Fälle "kleiner" oder "mittlerer" zu segmentierender Schwierigkeit dar. Ein Beispiel größerer Herausforderung ist in 11 gezeigt, bei dem die Prostata oben eine Ausbuchtung hat. Diese Form ist mit Formfunktionen der kubischen Interpolation schwierig zu initialisieren. Eine Strategie zu konturieren ist, die DDC durch Ignorieren der Ausbuchtung zu Initialisieren wie in 11(a) gezeigt. Die DDC formt sich nicht in die Ausbuchtung um, wie in 11(b) gezeigt. Obere Eckpunkte können, wie in 11(c), in Position gezogen und festgelegt werden. Der abschließende segmentierte Umriss ist in 11(d) gezeigt.The examples in 9 and 10 cases represent "small" or "medium" difficulty to be segmented. An example of greater challenge is in 11 shown where the prostate has a bulge above. This form is difficult to initialize with shape functions of cubic interpolation. One strategy to contour is to initialize the DDC by ignoring the bulge as in 11 (a) shown. The DDC does not reform into the bulge, as in 11 (b) shown. Upper vertices can, as in 11 (c) , pulled into position and fixed. The final segmented outline is in 11 (d) shown.

Andere Ausführungsformen und Variationen sind möglich. Zum Beispiel kann, obwohl die bevorzugte Ausführungsform, die hierin dargelegt ist, das Problem der Prostatasegmentation adressiert, das Prinzip der Erfindung auf Randsegmentation eines jeden festen Objekts angewendet werden, einschließlich anderer Organe innerhalb der menschlichen oder tierischen Anatomie; es sind geeignete Modifikation zu den Interpolationsfunktionen bereit gestellt, die zur Initialisierung des Rands vor der Umformung verwendet werden.Other embodiments and variations are possible. For example, although the preferred embodiment set forth herein is addressed, the problem of prostate segmentation, the principle of the invention applied to edge segmentation of each fixed object be inclusive other organs within human or animal anatomy; suitable modification to the interpolation functions is ready used to initialize the edge before forming become.

Es kann auch zur Segmentation von Objekten, wie der Prostata, in 3D ausgedehnt werden, wobei das Verfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsform als eine 2D Segmentationstechnik dargelegt ist. Weil die Oberfläche des Organs kontinuierlich ist, ist eine 2D Bildscheibe, die nur durch kleine Entfernungen von den benachbarten parallelen Scheiben getrennt ist, durch einen ähnlichen Rand zu den Rändern der benachbarten Scheiben charakterisiert. Daher wird, indem ein Objekt (das heißt Organ) in parallele Scheiben mit einem genügend kleinen Abstand geschnitten wird, der Rand des Objekts bei benachbarten 2D Scheiben ähnlich sein. Entsprechend kann der segmentierte Rand in einer Scheibe als ein Anfangsrand für den Segmentationsprozess in der benachbarten Scheibe verwendet werden. Wenn die Objektränder genügend nah sind, dann führt die Verwendung des Anfangsrands in den benachbarten Scheiben zu schneller Segmentation ohne das Erfordernis der Bearbeitung.It Can also be used for segmentation of objects, such as the prostate, in 3D be extended, the method according to the preferred embodiment is set forth as a 2D segmentation technique. Because the surface of the Organs is continuous, is a 2D image slice that only through small distances separated from the adjacent parallel slices is, by a similar Edge to the edges the adjacent discs characterized. Therefore, by a Object (that is Organ) cut into parallel slices with a sufficiently small distance will be similar to the edge of the object on adjacent 2D slices. Corresponding For example, the segmented edge in a slice may be an initial edge for the Segmentation process can be used in the adjacent disc. If the object edges enough are close, then leads the Using the starting edge in the adjacent discs too fast Segmentation without the requirement of editing.

Die 3D-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde erfolgreich unter Verwendung eines 3D Ultraschallbildes einer Patientenprostata implementiert. Das 3D Bild wurde in parallele Scheiben geschnitten, 1 mm getrennt voneinander, um 35 transaxiale Scheiben der Prostata herzustellen. Die näherungsweise zentrale Scheibe wurde als Startscheibe herausgesucht (d. h. Scheibe Nr. 15). Die Prostata in dieser Scheibe wurde durch die oben beschriebene Technik unter Verwendung von vier Startpunkten segmentiert. Dieses Bild erforderte keine Bearbeitung und der resultierende Rand, der durch die Segmentation erzeugt wurde, ist in Tafel 15 gezeigt. Dieser Rand wurde dann verwendet, um die Segmentation der benachbarten Scheiben 14 und 16 zu initialisieren. Der resultierende segmentierte Rand (ohne Bearbeitung) ist in Tafeln 14 und 16 der 12 gezeigt. Der segmentierte Rand in Scheibe 14 wurde dann als Anfangsrand für Scheibe 13 verwendet, und der segmentierte Rand in Scheibe 16 wurde dann als Anfangsrand für Scheibe 17 verwendet. Dieser Prozess wurde fortgesetzt, bis die Segmentation von Scheibe 1 und 34 vollständig waren. Die Ergebnisse des gesamten Prozesses sind in den Tafeln der 12 gezeigt.The 3D embodiment of the present invention has been successfully implemented using a 3D ultrasound image of a patient's prostate. The 3D image was cut in parallel slices, 1 mm apart, to make 35 transaxial slices of the prostate. The approximately central disc was picked out as the starting disc (ie disc No. 15). The prostate in this disc was segmented by the technique described above using four starting points. This image did not require any processing and the resulting edge created by the segmentation is shown in Table 15. This edge was then used to initialize the segmentation of the adjacent disks 14 and 16. The resulting segmented edge (without machining) is shown in panels 14 and 16 of FIG 12 shown. The segmented edge in disk 14 was then used as the starting edge for disk 13 and the segmented edge in disk 16 was then used as the starting edge for disk 17. This process was continued until the segmentation of slice 1 and 34 was complete. The results of the whole process are in the tables of 12 shown.

Obwohl das Beispiel, das hierin oben dargestellt wurde, auf parallelen transaxialen Scheiben basierte, wird ein Fachmann bevorzugen, dass die Prostata (oder jedes 3D-Objekt) in jeder regulären Art für diese 3D-Segmentationsvorgehensweise geschnitten werden kann. Zum Beispiel kann die Prostata (oder jedes 3D Objekt) in parallele Scheiben in koronaler, sagitaler oder schiefer Richtung geschnitten werden, als auch in radialen Richtungen, um radiale Scheiben mit einer Achse durch das Zentrum der Prostata herzustellen (oder irgendeine andere Achse), wie in 13 gezeigt. Die Achse für radiales Schneiden kann durch irgend zwei gegenüberliegende Punkte definiert werden, die als Startpunkte verwendet werden, um die Segmentation in der zentralen Scheibe zu initialisieren. Das radiale Schneiden kann bei gleichen Winkeln, z. B. 1 Grad, oder veränderlichen Winkeln abhängig von der Komplexität der Oberfläche des Objekts erfolgen.Although the example presented above was based on parallel transaxial discs, one of ordinary skill in the art would prefer that the prostate (or any 3D object) be cut in any regular manner for this 3D segmentation procedure. For example, the prostate (or any 3D object) may be sliced into parallel slices in a coronal, sagital, or slanting direction, as well as in radial directions to make radial slices with an axis through the center of the prostate (or any other axis), such as in 13 shown. The radial cutting axis may be defined by any two opposite points used as starting points to initialize the segmentation in the central disk. The radial cutting can at equal angles, z. B. 1 degree, or varying angles depending on the complexity of the surface of the object.

Es wird davon ausgegangen, dass die ausgeführten Ausführungsformen und Abwandlungen innerhalb des Bereichs und des Rahmens der Erfindung entsprechend den definiert beigefügten Ansprüche liegen.It It is understood that the embodiments and modifications made within the scope and scope of the invention the defined attached claims lie.

Claims (11)

Verfahren zur Objekt-Segmentation unter Verwendung eines Ultraschallbilds, umfassend die Schritte: Bedienerauswahl einer ersten Vielzahl von Startpunkten in dem Ultraschallbild, die zumindest näherungsweise auf einem Rand des Objekts liegen; Erzeugen einer Anfangskontur des Objekts durch Interpolation zusätzlicher Kernpunkte, die zumindest näherungsweise auf einem Rand des Objekts liegen, unter Verwendung von Interpolationsfunktionen, die zur Approximation der Form des Objekts ausgewählt sind; und automatisches Umformen von zumindest den zusätzlichen Kernpunkten, basierend auf den Randdaten des Ultraschallbilds zur Erzeugung einer weiteren Vielzahl von Punkten, welche die Form des Objekts umreißen.Method of object segmentation using an ultrasound image, comprising the steps: Operator selection a first plurality of starting points in the ultrasound image, the at least approximately lie on an edge of the object; Create an initial contour of the object by interpolation of additional core points, at least approximately lying on an edge of the object, using interpolation functions, which are selected for approximating the shape of the object; and automatic reshaping of at least the additional ones Key points, based on the edge data of the ultrasound image for Generation of a further multiplicity of points, which take the form of the Outline object. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Schritte des interaktiven Verschiebens der weiteren Vielzahl an Punkten und des automatischen Umformens der weiteren Vielzahl an Punkten um eine abschließende Vielzahl an Punkten zu erzeugen, die eine bearbeitete Form des Objekts umreißen.The method of claim 1, further comprising the steps of the interactive shifting of the further multiplicity of points and the automatic reshaping of the further plurality of points a final one Generate a variety of points that are a machined shape of the object outline. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend die Schritte des Festlegens von zumindest einer der ersten Vielzahl von Kernpunkten oder von der weiteren Vielzahl von Punkten auf ihre entsprechenden Positionen bevor die entsprechenden Positionen nach den Schritten des automatischen Umformens erreicht werden.The method of claim 1 or 2, further comprising the steps of setting at least one of the first plurality of core points or of the further variety of points on theirs corresponding positions before the corresponding positions the steps of the automatic forming are achieved. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei jeder Schritt des automatischen Umformens ferner den Schritt des Konvergierens eines jeden Punktes auf Randkanten des Objekts unter Verwendung eines Diskreten Dynamischen Konturalgorithmus (DDC-Algorithmus) umfasst.The method of claim 1, 2 or 3, wherein each The step of automatically reshaping further comprises the step of converging of each point on marginal edges of the object using a Discrete Dynamic Contour Algorithm (DDC Algorithm) includes. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Schritt des Auswählens der ersten Vielzahl von Kernpunkten ferner das Auswählen erster und dritter Punkte, die näherungsweise auf einer ersten Symmetrieachse des Objekts liegen, und das Auswählen zweiter und vierter Punkte, die näherungsweise auf einer zweiten Symmetrieachse liegen, die orthogonal auf der ersten Symmetrieachse steht, umfasst.The method of claim 1, 2 or 3, wherein the step of selecting Further, selecting the first one of the first plurality of key points and third points, the approximate lying on a first axis of symmetry of the object, and selecting second and fourth points, which approximate lie on a second axis of symmetry orthogonal to the first axis of symmetry is included. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Erzeugens einer Anfangskontur ferner den Schritt des (i) Berechnens entsprechender Koeffizienten der Interpolationsfunktionen aus entsprechenden Positionen der ersten und dritten Punkte, und der zweiten und vierten Punkte, und (ii) des gleichförmigen Interpolierens von Streckenabschnitten zwischen den ersten und den zweiten Punkten, den zweiten und dritten Punkten, den dritten und vierten Punkten, und zwischen den vierten und ersten Punkten unter Verwendung der Interpolationsfunktionen umfasst.The method of claim 5, wherein the step of Generating an initial contour further comprising the step of (i) calculating corresponding coefficients of the interpolation functions from corresponding Positions of the first and third points, and the second and fourth Points, and (ii) the uniform Interpolieren of sections between the first and the second points, second and third points, third and third fourth points, and between the fourth and first points below Using the interpolation functions. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des gleichförmigen Interpolierens ferner die Durchführung einer Hermite-Interpolation der Streckenabschnitte in Übereinstimmung mit ersten und zweiten kubischen Interpolationsfunktionen umfasst.The method of claim 6, wherein the step of uniform Interpolierenens further carrying out a Hermite interpolation of the sections in accordance with first and second cubic interpolation functions. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Konvergierens von jedem der Punkte auf Randkanten des Objekts ferner den Schritt des Modifizierens des Diskreten Dynamischen Konturalgorithmus (DDC-Algorithmus) umfasst, um Scheinkräfte auf die Punkte nur dann anzuwenden, falls die Graustufen benachbart zu den entsprechenden der Punkte von dunkel nach hell in einer radialen Auswärtsrichtung von jedem der Punkte variieren.The method of claim 4, wherein the step of Further, converging from each of the points to marginal edges of the object the step of modifying the Discrete Dynamic Contour Algorithm (DDC algorithm) includes to show apparent forces on the points only apply if the gray levels are adjacent to the corresponding ones the points from dark to light in a radial outward direction vary from each of the points. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Konvergierens von jedem der Punkte auf Randkanten des Objekts ferner den Schritt des Haltens der entsprechenden Abstände mit fortschreitender Iteration des DDC-Algorithmus auf nicht weniger als 20 Pixel zwischen den entsprechenden Punkten.The method of claim 4, wherein the step of Further, converging from each of the points to marginal edges of the object the step of maintaining the respective intervals as the iteration progresses of the DDC algorithm to not less than 20 pixels between the corresponding points. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Schritte des Selektierens der weiteren Vielzahl von Punkten, welche die Form des Objekts in einer Bildebene durch das Objekt umreißen, als entsprechende der zusätzlichen Kernpunkte, auf die der Schritt der automatischen Umformung für eine benachbarte Parallelbildebene durch das Objekt angewendet wird, um die Form des Objekts in drei Dimensionen zu umreißen.The method of claim 1, further comprising Steps of selecting the further variety of points which outline the shape of the object in an image plane through the object, as corresponding to the additional Key points to which the step of automatic forming for an adjacent Parallel image plane through the object is applied to the shape to outline the object in three dimensions. Vorrichtung zur Objekt-Segmentation unter Verwendung eines Ultraschallbilds, umfassend: Mittel um ein Ultraschallbilde zu Erhalten; Verarbeitungsmittel zum Auswählen einer ersten Vielzahl von Kernpunkten in dem Ultraschallbild, die zumindest näherungsweise auf einem Rand des Objekts liegen, Erzeugen einer Anfangskontur des Objekts durch Interpolation zusätzlicher Kernpunkte, die zumindest näherungsweise auf einem Rand des Objekts liegen, unter Verwendung von Interpolationsfunktionen, die zur Approximation der Form des Objekts ausgewählt sind; und automatisches Umformen von zumindest den zusätzlichen Kernpunkten, die auf den Randdaten des Ultraschallbilds basieren, zur Erzeugung einer weiteren Vielzahl von Punkten, welche die Form des Objekts umreißen.An apparatus for object segmentation using an ultrasound image, comprising: means for obtaining an ultrasound image; Processing means for selecting a first plurality of key points in the ultrasound image that are at least approximately on an edge of the object, producing an initial contour of the object by interpolating additional kernel points that are at least approximately on an edge of the object; using interpolation functions selected to approximate the shape of the object; and automatically reforming at least the additional core points based on the edge data of the ultrasound image to produce a further plurality of points that outline the shape of the object.
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